Princip ADSL (Asymteric Digital Subscriber Line)
V tomto článku si uvedeme základní principy technologie ADSL, slibované v předchozím článku Po drátech a rychleji -xDSL, pomocí níž jste schopni připojení až 9 Mb/s směrem k vám po stávajícím telefonním vedení. Takže koho princip tohoto téměř technického zázraku zajímá, čtěte dál.
Základní koncepce ADSL se vyvinula počátkem 90. let a mění, pomocí velmi chytrých modemů, stávající pomalé metalické vedení v zatraceně rychlé širokopásmové médium, které poskytuje kvalitu srovnatelnou s optickými vlákny
ADSL byla původně určena pro službu nazývanou zkratkou VOD ( Video on Demand - video na vyžádanou) tzn. pro situaci, kdy z pohodlí svého domu vyberete film a ten si následně ze vzdáleného serveru pustíte na svém počítači. K dispozici máte samozřejmě všechny běžné funkce videorekordéru (přetáčení, zastavení, nahrávání nevím, ale tipnul bych že asi ne :) ). S rostoucím počtem uživatelů Internetu se ale použití ADSL rozšiřuje.
Princip ADSL (Asymetric DSL) spočívá v odlišných rychlostech přenosu směrem ke koncovému účastníkovi, a to až 8,448 9Mb/s (dříve 6,144Mb/s) - rychlý kanál, a nižší přenosové rychlosti od koncového účastníka (např. 640 kb/s) - pomalý kanál, přes jeden pár komutovaného vedení. A to vše až do vzdálenosti 4,2 km bez použití opakovače přenášeného signálu. Navíc na stejném páru komutovaného vedení je souběžně vedle služeb poskytovaných pomocí ADSL také přístupná klasická telefonní služba (POTS) či ISDN BRA, protože přenos každé služby je v jiném frekvenčním pásmu. Pro extrémně náročné uživatele lze pomocí technologie ADSL zavést několik přípojek ISDN BRA ve spojení se službou video on demand, anebo dokonce i ATM přípojku.
V současnosti již existuje celá řada standardizovaných systémů ADSL poskytujích toky směrem k uživateli od 1,5 do 8 Mb/s.
Způsob přenosu ke koncovému uživateli je patrný z typického uspořádání ADSL systému. viz obr. 1
Obr. 1 - ADSL - typické uspořádání
Přístup do tohoto systému začíná u zařízení nazvaného POTS (Plain Old Telephone Service) splitter - oddělovač standardních telefonních služeb. Toto zařízení odděluje standardní telefonní hovor od ADSL služby, takže obojí lze přenášet po jediném metalickém vedení. Ve skutečnosti dojde k rozdvojení přicházejícího signálu. Jedna část je přivedena do ADSL modemu, kde je odstraněn standardní telefonní hovor a regenerována data. Druhá část signálu prochází přes dolní propust a jako čistý telefonní signál je přiváděna do telefonního přístroje. Obdobně dochází k oddělení telefonního a ADSL signálu i na straně ústředny (CO). ADSL modemy nepoužívají, na rozdíl od modemů normy V.34, pro svojí činnost základního telefonního pásma (do 4 khz) a umožňují současně s provozem modemu přenášet i telefonní hovory.
Telefonní oddělovač, jak je ukázáno na schématu, nemusí být vždy použit. V tom případě ale musí být ADSL data přivedena k uživateli po jiném metalickém páru, než telefon. ADSL data a telefonní hovory nemohou procházet po jediném páru, pokud není zařazen oddělovač.
Na straně ústředny je telefonní hovor, oddělený od ADSL signálu, přepojen do veřejné telefonní sítě (Public Switched Telephone Network PSTN). Datový výstup z ADSL modemu je propojen na DSL multiplexer ( Digital Subscriber Line Access Multiplexer - DSLAM). To je zařízení které soustředí data od většího počtu ADSL uživatelů. Takto soustředěná data jsou přivedena např. do sítě ATM. Odtud má pak uživatel přístup k různým službám pracujícím s různou šířkou pásma. Kromě přístupu do internetu to mohou být služby jako intranet access/telecommuting (přístup do uzavřené podnikové sítě), videdo na vyžádání (video-on-demand), výuka na dálku (remote learning services) a dálkové ovládání domácích přístrojů.
Technologie ADSL používá k přenosu, jak již bylo uvedeno, jen jeden pár metalických vodičů kde pracuje na mnohem vyšších kmitočtech než původně pro tyto vodiče určený standardní telefon. To je zřetelné z následujících obrázků na kterých jsou znázorněny různé varianty ADSL :
Obr.2 - ADSL - full
Na tomto obrázku jsou znázorněna kmitočtová spektra standardního telefonu, ISDN a samotného ADSL skládajícího se ze dvou částí - z pomalého dopředného kanálu směrem od uživatele, který slouží k zadávání jednotlivých příkazů (např. adresy stránek) a rychlého zpětného kanálu kterým k vám proudí požadované informace ( WWW stránky, soubory, filmy na vyžádanou atd.) Toto provedení se nazývá ADSL fug a dosahuje se zde přenosových rychlostí směrem k účastníkovi 8-9 Mb/s . ( hesel jako subkanál nebo počet nosných si zatím nevšímejte, bude vysvětleno později)
Obr.3 - ADSL bez ISDN
Zde je varianta bez ISDN kde se dosahuje rovněž až 8-9 Mb/s.
Obr.4 - ADSL - Lite
A na tomto obrázku je tzv. ADSL- Lite, kde se dosahuje přenosové rychlosti 2 Mb/s.
S tímto systémem jste už schopni přijímat digitální videosignál se stereofonním zvukem v kvalitě srovnatelné se současnými domácími VHS videorekordéry. Rychlejší systémy (obr.1 a 2) umožňují přijímat až 4 tyto kanály, nebo jeden s kvalitou která je srovnatelná se živým vysíláním.
Celkové schéma sítě ADSL
Na následujícím obrázku je začlenění ADSL do telekomunikační sítě:
Obr.5 - ADSL schéma sítě
- ADSL - asymetrická digitální účastnická linka (Asymmetric Digital Subscriber Line)
- STM - synchronní transportní mód (Synchronous Transfer Mode)
- ATM - asynchronní transportní mód (Asynchronous Transfer Mode)
- OS - operační systém (Operations System)
- PDN - domovní distribuční síť (Premises Distribution Network)
- SM - modul služeb (Service Module)
podrobnější specifikace je na následujícím obrázku :
obr. 6 - ADSL - referenční model sysému
(vysvětlivky k obrázku 6 jsou ZDE)
Používají se dva způsoby jak oba kanály - rychlý a pomalý, přenášet na jednom páru vedení a těmi jsou FDM - frekvenční multiplex a druhý způsob využívá tzv. potlačení ozvěny
Obr. 7 - FDM u ADSL
Při využívání principu potlačení ozvěny se oba kanály překrývají a k jejich oddělení dochází v tzv. vidlici a kompenzátoru ozvěn (Princip je vysvětlen v předcházejícím článku Po drátech a rychleji - xDSL):
Obr. 8 - překrývání kanálů u ADSL
Druhý způsob je poněkud složitější, ale na druhou stranu přináší zisk oproti předchozímu způsobu v podobě 2 dB - sníží se totiž útlum vedení na nižších kmitočtech
Systém ADSL využívá pro zabezpečování přenosu širokopásmových obrazových a zvukových signálů interaktivních videoslužeb po metalických kabelech složitou techniku digitálního zpracování signálů založenou na diskrétní kosinové transformaci DCT, kódování s proměnnou délkou kódu, s algoritmem a se strukturou přenášených signálů podle norem ISO/IEC, označovaných též tradičně podle skupiny expertů, kteří normy zpracovávají, jako standardy MPEG (Moving Picture Experts Group).
Algoritmus MPEG-1 dosahuje výsledné přenosové rychlosti 1,5 až 1,8 Mbit/s a je určen pro zpracování obrazových a zvukových signálů v kvalitě systémů VHS ze záznamu na discích CD - ROM. Kvalita daná doporučeným horním limitem 1,5 Mbit/s značně omezuje jeho využití v širokopásmových aplikacích.
Algoritmus MPEG-2 s výslednou přenosovou rychlostí od 2 do 15 Mbit/s je určen pro digitální zpracování obrazových a zvukových signálů s kvalitou splňující požadavky jak v televizní technice, tak i v širokopásmových telekomunikačních sítích
Algoritmus MPEG-3 s přenosovou rychlostí vytvářeného signálu od 20 do 40 Mbit/s je určen pro kvalitní zpracování obrazů o velikosti 1920 x 1080 bodů se snímkovým kmitočtem 25 Hz a 30 Hz v aplikacích HDTV
Algoritmus MPEG-4 pro kódování obrazů 176 x 144 bodů s kmitočtem 10 Hz a výslednou přenosovou rychlostí v oblasti 4,8 až 64 kbit/s je navrhována pro využití v multimediálních komunikačních systémech zejména mobilních typů, ale i pro elektronickou poštu, elektronické noviny, interaktivní databázové služby atd.
Transport signálu - použité modulační metody u ADSL
Modulace používané u ADSL jsou nejméně tři a to:
- QAM
- CAP
- DMT
V současnosti přesně nevím jak je to ze standardizací jednotlivých modulací, ale jisté je, že v roce 1993 přijal ANSI standart pod označením T1.413 a tím je technologie na bázi DMT - diskrétní multitónová modulace . Na vývoji DMT se podíleli např. společnosti Ericsson, Alcatel, Orcit a Amati a zajistily tak vzájemnou kompatibilitu čipových sad tak, aby koncový uživatel mohl jimi vyrobený modem ADSL připojit k DSLAM - přístupovému multiplexeru libovolného poskytovatele Internetu nebo telefonní společnosti (viz obr. 1)
Proto si DMT popíšeme podrobněji:
Modulace DMT
Princip diskrétní multifrekvenční modulace u ADSL DMT (Discrete Multi-Tone) představuje rozdělení frekvenčního pásma, které je přidělené pro technologii ADSL kupříkladu na 256 subpásem o šířce 4,3 kHz (viz obr. 1až 3), kde v každém subpásmu je jedna nosná frekvence modulovaná kvadraturní amplitudovou modulací QAM, která zajišťuje parciální datový tok 6,5 až 50 kb/s. Jednotlivé nosné kmitočty jsou od sebe vzdáleny o 4,3125 kHz a mezní kmitočet přenosového pásma ADSL je 1,104 MHz. Tyto modulační techniky zajistí přenos dat i na vedeních s útlumem přes 50 dB na kmitočtu 300 kHz, a to i se silnými zdroji šumu. Přenosová rychlost dosahuje až 9 Mb/s směrem k uživateli a až 640 kb/s směrem od uživatele.
Obr. 9 - DMT vysílač
V DMT systému je třeba určit přenosovou funkci přenosového kanálu (např. přenosem referenčních signálů) a rozdělením celého kanálu na subkanály stejné šířky, se snažíme dosáhnout toho, že v každém subkanále je přibližně konstantní frekvenční odezva. Na obr. 10 je tento proces znázorněn - nejdříve je užitečná zátěž rozdělena rovnoměrně do všech subkanálů, potom je určena přenosová charakteristika vedení a na základě této charakteristiky jsou určeny přenosové rychlosti jednotlivých subkanálů tak , aby přenos byl co nejefektivnější. Může dojít dokonce i k vynechání jednotlivého subkanál, je-li v tomto frekvenčním pásmu výrazný zdroj rušení. V prostřední a poslední řadě je znázorněné rušení a následné snížené přenosové rychlosti daného subkanálu - třetí řada obrázku, nebo jeho úplné vynechání - druhá řada.
Obr.10 DMT subkanály
Ze střední hodnoty poměru signál - šum (signal to noise ratio - SNR) určené pro každý subkanál, je odvozen počet bitů pro jednotlivé subkanály. Počet bitů pro n-tý subkanál je dán rovnicí:
kde 
je rozdíl SNR mezi
Shannonovým limitem kapacity kanálu a SNR potřebným pro dekódování kvadraturní
amplitudové modulace (quadrature amplitude modulation - QAM). Pak
je celkový počet bitů na symbol, kterého lze dosáhnout v kanále s N subkanály. Užitím Nyquistova teorému určíme maximální přenosovou rychlost
kde B je šířka pásma užívané části kanálu a R je přenosová rychlost.
Ve vysílači je blok bitů (jejichž počet je dán počtem bitů, které je schopen daný subkanál přenést) modulován pomocí QAM. Dále následuje inverzní Fourierova transformace, která zpracuje komplexní složky QAM na reálné vzorky signálu v časové oblasti. Ve skutečnosti nejsou jednotlivé subkanály zcela nezávislé proto je na výstup FFT přidáno navíc několik vzorků. Tento tzv. cyklický prefix odstraňuje interference mezi subkanály. Vzorkovaný signál (s nebo bez cyklického prefixu) je pak přiveden na D/A převodník, dolní propust a vyslán do přenosového kanálu. Blokové schéma vysílače DMT je na obr. 11
Obr.11 - DMT vysílač
V přijímači probíhá inversní proces. Signál prochází A/D převodníkem, je odstraněn cyklický prefix (pokud byl použit), je provedena Fourierova transformace a demodulace QAM. Blokové schéma přijímače DMT je na obr. 12
Obr.12 - DMT přijímač
Výhody DMT
DMT eliminuje potřebu adaptivních korekcí, neboť frekvenční charakteristika je téměř konstantní v celém subkanále. Přesným dělením na subkanály a přidělením maximálního možného počtu bitů každému z nich, můžeme DMT označit jako optimální kód. To znamená že tento systém je schopen dosáhnout teoretického limitu a že žádný jiný systém nemůže být výkonnější. Důkaz tohoto tvrzení lze najít v literatuře. Vzhledem k tomu, že přenosová rychlost závisí na SNR kanálu, je možné sledovat změny SNR a dynamicky upravovat přenosovou rychlost a tak udržovat optimální výkon systému. Tato schopnost DMT umožní použití pro vedení různých parametrů a zvyšuje odolnost vůči burstům (impulsovému šumu) a šumu o vysoké úrovni (kanál může být na určité období zcela vypnut). Tento systém umožní i frekvenční multiplexování většího počtu uživatelů v jednom kanále. Každý takový uživatel má možnost využívat takovou přenosovou rychlost, která je dána počtem subkanálů, které jsou mu přiděleny.
Krátce i o modulaci CAP - Carrierless Amplitude Phase
Modulace CAP se od DMT liší v tom, že pro celé přenášené pásmo používá jeden nosný kmitočet, modulace je zde zajišťována pomocí tzv. digitálních transverzálních pásmových filtrů, jejichž fázová odezva se liší navzájem o 900 , principiálně se tedy velmi podobá modulaci QAM, jejíž princip mnozí z vás asi znáte.
DMT má oproti CAP několik výhod:
- DMT je oproti CAP schopna efektivněji využít přenosovou kapacitu vedení - rozdělí přenášený signál do jednotlivých subkanálů a každému přiřadí na základě poměru signál-šum max. přenosovou rychlost. To CAP neumožňuje - používá jen jednu nosnou.
- DMT je odolnější proti impulsním šumům a při větších přenosových rychlostech má větší výkon než CAP
- Hardware u DMT se při změnách přenosových rychlostí lépe programuje
Ale má i několik nevýhod :
- U DMT používaná Fourierova transformace FFT způsobuje přenosové zpoždění, což může mít někdy za následek nedodržení standardů ADSL
- Synchronizace modemů s DMT může být někdy delší než u modemů s CAP (nevím ale o kolik :-)
- U DMT je složitější potlačení ozvěny
- DMT je komplikovanější a proto se složitěji navrhuje
Shrnutí
Na první pohled jednoduchá zařízení - ADSL modemy, jsou ve skutečnosti velmi komplikovaná zařízení pracující na hranici fyzikálních možností. Dosahují přenosových rychlostí o kterých se nám mohlo na metalických vedení jen zdát. Díky vysokým frekvencím na kterých modemy pracují, je přenášený signál, zejména vlivem povrchového jevu, velmi utlumený a přesto musí být zpracovaný v širokém dynamickém rozsahu a co nejméně zašuměný. Tyto schopnosti dělají z ADSL modemu vlastně zázrak současné techniky a nezbývá nám než se těšit až bude běžně dostupný a budeme ho moci používat z pohodlí svých domovů...
V pilotních projektech byla ADSL technologie odzkoušena a je nabízena například u Singapore Telecom, France Telecom, Telecom Denmark a proto se snad i my brzy této technické lahůdky dočkáme.
Použitá literatura:
[1] M. Škop a kolektiv digitální telekomunikační technika: IX díl Praha 1996
[2] R. Stružka : Přístupové sítě po metalických vedeních - písemná práce ke státní doktorské zkoušce ZČU Plzeň, březen 1999
Příloha - vysvětlivky k obr. 6 ADSL referenční model systému
ATU-C: ADSL Transmission Unit at the network end. Přenosová jednotka ADSL na síťovém konci. ATU-C může být integrována do přístupového uzlu ( Access Node).
ATU-R: ADSL transmission Unit at the customer premises end - přenosová jednotka ADSL na uživatelském konci. ATU-R může být integrována do SM.
Access Node: Přístupový uzel. Bod koncentrace širokopásmových a úzkopásmových dat. Může být umístěn v ústředně nebo na vzdáleném stanovišti.
B: pomocný datový vstup (např. družicový) modulu služeb.
Broadband Network: Širokopásmová síť - spojovací systém pro data nad 1.5/2.0 Mb/s
Narrowband Network: Úzkopásmová síť - spojovací systém pro data pod 1.5/2.0 Mb/s
POTS: Plain Old Telephone Service - standardní telefonní služby
POTS-C: rozhraní mezi PSTN a oddělovačem standardních telefonních služeb (POTS splitter) na síťovém konci
POTS-R: rozhraní mezi telefonním přístrojem a oddělovačem standardních telefonních služeb (POTS splitter) na uživatelském konci
PDN: Premises Distribution Network
Domovní distribuční systém. Systém pro propojení ATU-C s moduly služeb. Může být typu point-to-point nebo multipoint (sběrnicový nebo hvězdicový), může být pasivní nebo aktivní.
PSTN: Public Switched Telephone Network. Veřejná telefonní síť
SM: Service Module: modul služeb - Zajišťuje přizpůsobení jednotlivých koncových zařízení
Splitter: Oddělovač - Filtr, který odděluje vysokofrekvenční (ADSL) a nízkofrekvenční (POTS) signál na síťovém i uživatelském konci. Oddělovač může být integrován do ATU, může být fyzicky oddělen od ATU, nebo může být rozdělen na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční část, přičemž nízkofrekvenční část je fyzicky oddělena od ATU. Zařazení oddělovače není vždy nutné.
T-SM: rozhraní mezi ATU-R a domovní distribuční sítí. Může být stejné jako T jeli síť pasivní typu point-to-point. ATU-R může mít více než jedno T-SM rozhraní (např. T1/E1 a ETHERNET). Může být integrován do modulu služeb.
T: rozhraní mezi modulem služeb a domovní distribuční sítí. Může být stejné jako T-SM jeli síť pasivní typu point-to-point. T rozhraní se ztrácí ve fyzické vrstvě, pokud je ATU-R integrován v SM.
U-C: Rozhraní mezi smyčkou (Loop) a oddělovačem ( POTS Splitter) na síťové straně. Definujeme každý konec odděleně, kvůli nesymetrii linky.
U-C2: rozhraní mezi oddělovačem a ATU-C. Kvůli technickým obtížím není v současné době v normě ANSI T1.413 toto rozhraní specifikováno.
U-R: Rozhraní mezi smyčkou (Loop) a oddělovačem ( POTS Splitter) na účastnické straně.
U-R: rozhraní mezi oddělovačem a ATU-R. Kvůli technickým obtížím není v současné době v normě ANSI T1.413 toto rozhraní specifikováno.
VA: Logické rozhraní mezi ATU-C a přístupovým uzlem ( Access Node) Toto rozhraní často nemá fyzické provedení, ADSL fórum neuvažuje fyzické rozhraní VA. VA rozhraní může ovládat STM, ATM nebo jiný transportní mód. V jednoduchém případě propojení bez koncentrace nebo multiplexování, jsou rozhraní VA a VC totožná (nebo VA rozhraní zcela zmizí).
VC: Rozhraní mezi přístupovým uzlem a sítí. Může mít vícenásobné fyzické připojení nebo může být připojen pouze jedním fyzickým vstupem. Jsou- li Přístupový Uzel a ATU-C na vzdálených stanovištích, je možné do VC zařadit digitální
